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北航聯合哈佛，研制出吸盤式仿生機器人

2017-10-19 15:48:11 作者：本網整理來源：鎂客網分享至：

該研究具有廣泛的應用前景，如在國防科技，水下救援、海洋生態檢測等領域，都可發揮重要的作用。

21日，《科學》雜志發表了一篇關于仿生機器人的論文，該論文詳細描述了以?魚軟體吸盤為原理的仿生機器人。據悉，該機器人由北京航空航天大學和哈佛大學的研究人員共同研制，其中北京航空航天大學為該研究的第一單位和第一通訊單位。

啟發

?魚，又名吸盤魚，喜歡吸附在鯊魚、海龜等大型海洋生物身上，俗名免費旅行家。由于該魚的游泳能力較差，所以它主要依靠頭部的吸盤吸附在游泳能力強的大型鯊魚或海獸的腹面，有時吸附于船底，以借此被帶到餌料豐富的海域，然后就脫離宿主，找尋食物。

對此，研究負責人文力副教授評價道：“這種‘搭便車’行為最大的優點，就是能有效減少運動消耗的能量。”因此，他意識到這一仿生研究潛藏著巨大的應用空間。

三大難關

關于該仿生機器人的研制過程，文力表示，先后主要遇到三大難題，而這三大難題即仿生機器人樣品的三大核心技術。

難題一|仿生材料

首先，在利用環掃電鏡、Micro CT、高速相機同步運動追蹤等生物測量手段，課題組獲得了？魚吸盤的宏觀與微尺度結構、運動模式。

但如何制造該吸盤的模型呢？研究人員文力選擇采用3D打印技術，而此處就遇到了第一個難題：？魚的結構復雜，硬軟兼備，普通的單一材料3D打印根本無法實現。

對此，文力表示“如果只是簡單地把硬質軟質結構拼接起來，應力強度一大就會迅速疲勞并破碎。”

于是研究團隊耗時一年，發明了材料剛度跨越3個數量級的3D打印技術，實現了復合材料3D打印一體化，以解決這第一大難題。

難題二|小刺

然而在仿生材料的挑選過程中，他們很快就遇到第二個難題。

在每一個？魚的吸盤上約有2000個錐狀小刺，這些小刺對于吸附的過程產生了很重要的作用。一般情況下，當吸盤吸附在物體表面時，會產生較大的法向力，但是切向力并不大。小刺處于放松狀態時，吸附力小，脫落也相對容易。而當小刺與吸附表面接觸時，就會同時產生較大的切向摩擦力，從而牢牢吸在物體表面。

對此，文力解釋道：“肌肉的運動需要消耗能量，當驅動小刺的肌肉放松時，能量消耗會顯著減少，這是生物體具備的一種智能調控特性。”

所以，問題就來了，怎樣能夠找到這種既輕且強度高，還能嵌入鰭片中的材料呢？

經過反復研究比較，最后文力選擇了碳纖維材料。但是要加工出如此微小的纖維結構并不容易，課題組和哈佛大學Robert Wood實驗室一起攻關，借助該實驗室的高精度激光加工技術，在幾個月里不斷修改設計方案，終于加工出了尺度、形狀都和真實？魚結構高度近似的硬質小刺，并嵌入到復合材料的樣機鰭片中。

難題三|驅動

樣品做出來了，但最后一個難題來了，怎么讓其動起來？

傳統的電機重量/輸出力比例遠遠低于生物，且不適合驅動這樣微小的鰭片結構運動。為此，課題組制作了輕量化、防水的纖維增強軟體直線驅動器，實現了？魚吸盤內部鰭片的微動，幅度約為150微米。

對于這四年的研究過程，文力說道：“通過這三項關鍵技術，我們成功實現了機器人樣機能夠像真正的？魚一樣牢牢吸附在物體表面，并且通過內部鰭片的主動抬起運動顯著增大摩擦力。在此之前，整整四年，？魚項目上我們未發表一篇學術論文。”

總結

據了解，該研究項目歷時4年，涉及到生物力學、材料、化學、機器人等多個研究領域。文力為該項目負責人，論文的第一通訊作者。北航機械學院2015級研究生王越平、博士后楊興幫、哈佛大學Yufeng Chen博士為該文的共同第一作者。

此外，北京航空航天大學材料學院管娟副教授，化學學院的劉歡教授為該研究提供了材料動態性能測量、表面微觀結構等方面的數據；哈佛大學Lauder實驗室提供了？魚吸盤的斷層掃描數據；哈佛大學Wood實驗室制作了微激光加工碳纖維小刺；北京航空航天大學2014級研究生龔哲元，2015級研究生劉澤民負責水下機器人的制作與演示。

基于生物體機制，這種機器人雖然吸附力可觀，卻不會對吸附表面造成破壞。該項研究在軍民領域都有良好的應用前景，如在國防科技，水下救援、海洋生態檢測等方面，都可發揮重要作用。

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責任編輯：殷鵬飛

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